§ 2. Мерный стержень Девиса

Хотя стержень Гопкинсона обладает преимуществом простоты, он имеет два серьезных недостатка. Во-первых, как показано в предыдущем параграфе, он не дает формы кривой давление — время в импульсе, а только продолжительность и значение максимального давления. Во-вторых, растягивающее усилие, необходимое для нарушения контакта между стержнем и "хронометром", вносит в эксперимент новую неизвестную переменную величину и мешает использовать этот прибор для измерений импульсов малой амплитуды.

Р. Девис [25] изобрел мерный стержень, в котором измерения производятся электрическим методом, причем этот прибор обеспечивает непрерывную запись продольного перемещения, производимого импульсом давления на свободном конце стержня. В гл. III для плоской волны, распространяющейся вдоль стержня, было показано, что продольное напряжение пропорционально скорости частицы

[см. уравнение (3.8)]. Вследствие отражения свободный конец стержня получает удвоенную скорость частиц, так что если продольное перемещение и скорость частицы обозначить соответственно, то имеем

С помощью стержня Девиса кривую можно получить непосредственно, после чего дифференцированием этой кривой можно

определить кривую давление — время для импульса. Если вместо продольного перемещения конца стержня измерять радиальное перемещение С в том же сечении стержня, то из определения пуассонова отношения получим

где а — радиус стержня и модуль упругости; тогда кривую давление — время можно получить из кривой простым умножением ординат на

Как и в случае стержня Гопкинсона, аппаратура Девиса дает правильную запись давления, приложенного к нему, лишь тогда, когда а) напряжение нигде не превышает предела упругости стали и б) давление не изменяется настолько быстро, что длины волн, связанных с импульсом давления, становятся сравнимыми с радиусом стержня. На фиг. 23 показано общее устройство стержня Девиса.

Фиг. 23. Общая схема устройства мерного стержня Девиса.

Продольное перемещение концевого сечения стержня измеряется путем использования стержня в качестве заземленной обкладки в плоском конденсаторе. Изолированная обкладка состоит из металлической пластинки, вмонтированной в узел "стержневого конденсатора". Этот узел свободно скользит по концу стержня и содержит изолированную пластинку, параллельную концевому сечению стержня.

При медленном движении стержня обе обкладки движутся вместе; при приходе же импульса конец, стержня перемещается свободно, тогда как изолированная пластинка вследствие ее инерции в течение короткого промежутка времени остается в покое. Изолированная пластинка заряжается до высокого напряжения с помощью "узла питания конденсатора". Он содержит контур сопротивление — емкость с большой постоянной времени, так что заряд изолированной пластинки может изменяться только очень медленно и поэтому любое быстрое изменение емкости плоско-параллельного конденсатора приводит к соответствующим изменениям разности потенциалов между его обкладками. Если относительное изменение емкости мало, эта разность потенциалов прямо пропорциональна перемещению концевого сечения стержня. Эти изменения разности потенциалов усиливаются и подаются на катодно-лучевой осциллограф, где они регистрируются фотографически.

Использованный катодно-лучевой осциллограф относится к типу двухлучевых; на экране осциллографа имеются два пятнышка, которые совершают одинаковое движение в горизонтальном направлении, но могут иметь независимые вертикальные перемещения. Электрический сигнал от узла плоско-параллельного конденсатора после усиления используется для перемещения одного пятнышка осциллографа, тогда как другое пятнышко получает питание от стандартного осциллятора радиочастот. Горизонтальное перемещение пятнышек производится с помощью "узла пробежки", который включается инерционным выключателем, расположенным на стержне. Этот выключатель состоит из изолированного металлического кольца, которое свободно скользит по стержню и находится в контакте с металлическими штифтами, ввинченными в стержень. Набегающий импульс давления отделяет кольцо от штифтов, что приводит к зажиганию газонаполненной термоионной лампы в "узле пробежки". Помимо производства пробежки пятнышек, узел пробежки налагает мгновенное положительное напряжение на контрольную сетку катодно-лучевой трубки, вследствие чего яркость пятнышка возрастает, когда оно движется по экрану.

На фиг. 24 приведен тип записи, полученной с помощью этого приспособления. Эта фотография получена при взрыве детонатора № 8 на конце стержня диаметром 2,5 см и длиной 183 см. Можно видеть, что основной импульс имеет продолжительность около 25 мксек. и сопровождается рядом колебаний. Начальный импульс давления, производимый детонатором, оказывается здесь заметно растянутым вследствие эффекта дисперсии в стержне. Эта дисперсия приводит также к отставанию высокочастотных составляющих, которые наблюдаются в виде ряда колебаний, видимых в хвосте импульса.

Влияние этой дисперсии на импульсы различных форм и продолжительностей было теоретически исследовано Девисом [25], который показал, что для стержня диаметром 2,5 см и длиной 61 см

искажение, производимое в импульсе с первоначальной длиной 20 мксек., приводит к ошибкам порядка 2—3% при измерениях давления. Девис подтвердил эти выводы экспериментально путем измерений при ударах снарядов и волн детонации в газовых смесях, где давления могут быть рассчитаны теоретически.

Два других узла конденсатора, описанных Девисом, были цилиндрического типа. В обоих этих конденсаторах изолированная металлическая цилиндрическая труба удерживается так, что ось ее совпадает с осью стержня.

Фиг. 24. Осциллограмма, полученная с помощью стержня Девиса с детонатором № 8. Нижняя линия — шкала времени с периодом мксек. (Пятнышко осциллографа движется слева направо.)

Первый тип конденсатора используется на конце стержня и измеряет продольные перемещения, тогда как второй тип помещается в любом месте по длине стержня и измеряет радиальные перемещения. Девис показал, что для импульсов короткой продолжительности оба типа цилиндрических конденсаторов дают эффекты искажения более сильные, чем плоско-параллельный конденсатор. Поэтому эти конденсаторы применялись только для длинных импульсов. Однако цилиндрический конденсатор для измерения продольного перемещения имеет преимущество постоянной чувствительности даже при больших перемещениях, а конденсатор, измеряющий радиальные перемещения, дает показания, пропорциональные давлению [см. уравнение (4.2)], и потому устраняет необходимость дифференцирования кривой перемещение — время.